化學(xué)中的穩(wěn)定問題

1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載* 化學(xué)中的穩(wěn)定問題穩(wěn)定性（ stability ）是化學(xué)理論所解釋的關(guān)于物質(zhì)的一個重要性質(zhì)，我們常常需要知道某種物質(zhì)是否穩(wěn)定，這涉及研究，生產(chǎn)，應(yīng)用等問題，而這些物質(zhì)的穩(wěn)定性又必須從微觀層面去闡釋，化學(xué)的研究對象即是各種各樣的分子（把原子，離子，分子統(tǒng)稱為分子） 的微觀客體。 那么分子的穩(wěn)定性與哪些因素有關(guān)呢？我們可以從哪些方面去解釋或推斷其穩(wěn)定性呢？穩(wěn)定是自然界所追求的狀態(tài)， 是科學(xué)的重要研究對象之一， 無論是自然科學(xué)還是社會科學(xué)，都不可避免的要研究穩(wěn)定問題。我們都需要穩(wěn)定的工作與收入，穩(wěn)定的家庭和婚姻關(guān)系，穩(wěn)定的發(fā)展空間。 。經(jīng)濟(jì)，政治，社會需要穩(wěn)定，國家需要長治久安，

2、穩(wěn)定是發(fā)展的前提， 也是人們賴以生存的條件。 我們生存的宏觀世界需要穩(wěn)定， 人類作為地球的主宰也要維系地球的穩(wěn)定， 這既是保證人類可持續(xù)發(fā)展的需要， 也是人類保護(hù)地球生靈的使命。 同樣在微觀世界， 穩(wěn)定也是其永恒的主題，為了維持穩(wěn)定，原子們（請?jiān)试S我這樣稱呼，我總覺得微觀世界的行為與人類的行為有著某種溫和而又一致的默契） 必須選擇某種狀態(tài)使得它們所構(gòu)成的分子體系處于能量最低的狀態(tài)，原子中電子排布所遵循的 能量最低原理，泡利不相容原理及洪特規(guī)則 是微觀世界里的三條重要的原理準(zhǔn)則， 決定著微觀世界粒子的行為。對于化學(xué)而言，我們從研究原子入手，首先要解決的是原子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題即原子為什么能夠穩(wěn)定存

3、在。 關(guān)于這個問題的解釋到二十世紀(jì)初才得以比較滿意的解決，量子論的誕生為我們研究微觀世界提供了一個強(qiáng)有力的工具。 牛頓經(jīng)典力學(xué)在 20 世紀(jì)初遇到了許多難以解決的問題，其中之一就是關(guān)于氫原子光譜的譜線呈分立特征的問題 ,后來波爾提出了他的氫原子模型，獲得了極大的成功，他也因此榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎， 但是這個模型仍有局限性， 不能解釋氦原子及一些多電子原子體系問題。在這之前，于 1900 年普朗克首先為黑體輻射研究提出量子假說，從此揭開了量子論的序幕，他本人也因此獲得 1918 年諾貝爾物理學(xué)獎，愛因斯坦，波爾等人也是受此重要的思想啟發(fā)。 如果我們要想從更深層次上去了解微觀世界就必須要運(yùn)用量子論

4、， 然而，并不是所有問題都必須要采用這種方法，量子論需要艱深的數(shù)學(xué)， 因而在此只介紹一些簡單的思想與思維方式。在許多化學(xué)理論中，我們往往會考慮許多物理因素，如電荷分布，靜電力，電勢等，其中靜電力我們研究最多的， 在經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域， 我們暫且把靜電力當(dāng)做維系分子體系穩(wěn)定的方式。我們可以采用盧瑟福的原子模型來研究一些問題，這個模型認(rèn)為原子是由一個帶正電的占原子幾乎全部質(zhì)量的核和繞核外運(yùn)動的電子構(gòu)成的體系， 靠靜電力維系，其物理圖景類似于太陽系， 各大行星繞太陽運(yùn)動， 維系其運(yùn)動的是萬有引力。當(dāng)然，為了進(jìn)一步改善，這里必須強(qiáng)調(diào)電子運(yùn)動的不確定性，即電子不再具有經(jīng)典力學(xué)中的確定的運(yùn)動軌道，微觀世界的粒子

5、都滿足 不確定性原理。學(xué)習(xí)必備歡迎下載現(xiàn)在總結(jié)一條對分析分子體系穩(wěn)定性的有用的物理規(guī)律 1：對于一個帶電體系而言，其穩(wěn)定性與電荷的分散程度有關(guān)，分散程度越大，體系越穩(wěn)定?！胺稚ⅰ币彩且环N穩(wěn)定， “集中“也是一種穩(wěn)定，兩者有時格格不入。對于一個國家，要適當(dāng)?shù)募瘷?quán)中央， 但權(quán)利不能過度集中， 否則就會使當(dāng)權(quán)者一人獨(dú)斷，濫用權(quán)利，為所欲為，導(dǎo)致政治動蕩，社會混亂，中國的封建王朝正是皇帝高度集權(quán)。因此，為了更好的穩(wěn)定，必須采取”分散權(quán)利“的制約方法，西方的三權(quán)分立學(xué)說就是”分散“的政治智慧。再譬如，在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，社會分工就是一種人職能的”分散“，每個人都有屬于自己的分工，這樣就可以提高效率，有利于社會

6、發(fā)展。也許你可能認(rèn)為我離題萬里了， 怎么一下子就跳到這里了？其實(shí)， 但這僅僅是我的個人觀點(diǎn)， 我總覺得我們的世界應(yīng)該是統(tǒng)一的， 影響和制約人的一些規(guī)律也許并不是大自然為我們量身訂做的， 它是公平的，對所有事物都一樣公平，這種大自然創(chuàng)造萬物的一致的內(nèi)稟屬性最讓我感到奇妙與敬佩！ 盡管以人事的方式去解釋微觀世界的行為有些人為主觀的性質(zhì)， 但這有助于我們理解， 所以就將就用吧！化學(xué)的一些本質(zhì)屬性屬于哲學(xué)的范疇， 哲學(xué)作為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其重要性是不言而喻的?，F(xiàn)在言歸正傳，講講上面的一條物理規(guī)律的應(yīng)用。在有機(jī)化學(xué)中，前面已經(jīng)提到反應(yīng)機(jī)理是重要的研究內(nèi)容， 而通常在研究反應(yīng)機(jī)理時， 往往會引入一些反

7、應(yīng)中間體，這些反應(yīng)中間體是可以通過物理或化學(xué)方式直接或間接檢驗(yàn)出來的，這些常見的反應(yīng)中間體有自由基，碳正離子，碳負(fù)離子，卡賓和乃春。實(shí)際上在分析這些中間體的穩(wěn)定性時， 都可以應(yīng)用這條規(guī)律， 這些反應(yīng)中間體的穩(wěn)定性有助于判斷反應(yīng)的發(fā)生方向和難易快慢程度。一，自由基共價鍵的均裂會產(chǎn)生各帶一個共價電子的原子， 這樣的原子叫做自由基， 是活潑物種，易發(fā)生反應(yīng)。如對于自由基反應(yīng)， 決定反應(yīng)進(jìn)行的是生成自由基的穩(wěn)定性。 那么決定自由基穩(wěn)定的因素有哪些 ?對于自由基而言， 電子離域分散有利于其穩(wěn)定性， 而與電子離域有關(guān)的效應(yīng)為共軛效應(yīng)，共軛效應(yīng)包括 p-共軛， -共軛， -超共軛， -P 超共軛等，這些共軛

8、效應(yīng)均有利于自由基體系的電子離域分散，因而可以加強(qiáng)自由基的穩(wěn)定性，其中 p- 共軛與 - 共軛作用較強(qiáng)，大于后兩種超高共軛效應(yīng)。如下圖，自由基的穩(wěn)定性順序由大到小排列，三級自由基二級自由基一級自由基，這是因?yàn)殡S著烴基的增多， P 超共軛效應(yīng)越強(qiáng)。學(xué)習(xí)必備歡迎下載二，碳正離子碳正離子的結(jié)構(gòu)通常是平面構(gòu)型， 帶正電的 C 采取 sp2 雜化，對于帶正電的碳正離子而言，體系的正電荷分散有利于其穩(wěn)定， 因此凡是能夠使得正電荷得以分散的因素均有利于其穩(wěn)定，這些因素誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。誘導(dǎo)效應(yīng)：由于原子或原子團(tuán)吸引電子能力的不同，從而使分子內(nèi)電子發(fā)生移動的現(xiàn)象，通常電子從電負(fù)性小的原子偏向向電負(fù)性大的原子

9、，極性共價鍵的形成即是這種情況。誘導(dǎo)效應(yīng)可分為吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)和給電子誘導(dǎo)效應(yīng)兩種情況。同自由基的穩(wěn)定性順序一樣，碳正離子的穩(wěn)定性也為三級碳正離子二級碳正離子一級碳正離子。任何給電子的原子或基團(tuán)（如甲基，乙基等）相連于碳正離子，能使碳正離子電荷得以分散而穩(wěn)定性提高，相反具有吸電子效應(yīng)的原子或基團(tuán)（如-CF3,-CCl3）與碳正離子相連時，則使碳正離子電荷集中，而穩(wěn)定性減小。學(xué)習(xí)必備歡迎下載共軛效應(yīng)：可以使碳正離子的正電荷得到分散，從而使之穩(wěn)定。隨著共軛體系的增加，正電荷沿著共軛體系得以分散，穩(wěn)定性增加。如三乙烯基甲基正離子穩(wěn)定性要大于二乙烯基甲基正離子；芐基正離子與烯丙基相似，正電荷通過 p- 共軛效應(yīng)得到分散而穩(wěn)定。目前僅以此兩者為例，至于碳負(fù)離子，卡賓和乃春在進(jìn)入正文之后會加以詳細(xì)介紹。從上面的分析可以看出，物理規(guī)律 1 對于判斷有機(jī)反應(yīng)中間體有著指導(dǎo)性的作用，我們可以用這條規(guī)律去解釋一些分子離子的穩(wěn)定性。第二條規(guī)律是化合物分子的能量越低，分子越穩(wěn)定，其實(shí)能量才是在根本上與穩(wěn)定性有關(guān)的原因。前面所介紹的物理規(guī)律 1 無非是為了達(dá)